(57)【要約】【課題】広い粒径範囲の測定が可能な粒子検出器を提供する。【解決手段】流体中に含まれる粒子にレーザ光Ｌａを照射して生じる散乱光Ｌｓをフォトダイオードで受光して粒子を検出する粒子検出器において、２つのフォトダイオード３８，４２を設けると共に、これらのフォトダイオード３８，４２に入射する散乱光Ｌｓの光量を、フォトダイオード４２側に設けた減衰フィルタ４１によって異なるようにし、一方のフォトダイオード３８には小粒径側の検出を、他方のフォトダイオード４２には大粒径側の検出を受け持たせることにより、ダイナミックレンジを広げた。【選択図】        図３
2005055204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光などを光電変換素子で受光して粒子を検出する粒子検出器において、前記光電変換素子を複数設けると共に、これらの光電変換素子の感度を異なるようにしたことを特徴とする粒子検出器。
【請求項２】
請求項１記載の粒子検出器において、前記複数の光電変換素子の出力信号を夫々増幅する増幅器の増幅度を異なるようにしたことを特徴とする粒子検出器。
【請求項３】
流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光などを光電変換素子で受光して粒子を検出する粒子検出器において、前記光電変換素子を複数設けると共に、これらの光電変換素子に入射する光量を異なるようにしたことを特徴とする粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広い粒径範囲の測定を行う粒子検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題として浮遊粒子状物質が注目され、特にＰＭ１０（１０μｍ以下の微小粒子）やＰＭ２．５（２．５μｍ以下の微小粒子）の抑制が強く要求され、その測定が重要な課題となってきている。
そのような課題を解決するためには、ナノオーダー（１０−３μｍ）から１０μｍ程度まで、１０４もの広い粒径範囲の測定が可能な測定器が必要になるが、従来の光散乱式や光遮断式の粒子検出器では１０２程度の粒径範囲が限界であった。
【０００３】
その理由は、代表的な光散乱式粒子検出器（光源波長：１０６４ｎｍ、光軸交角：９０°、集光半角：４０°、粒子の屈折率：１．６）における最小可測粒径は、０．０５μｍ程度であり、仮に上限１μｍまで測定可能にするとなると、粒径と信号（光散乱強度）の応答曲線から、応答信号の範囲はおよそ１０６となる。従って、０．０５μｍ〜１０μｍまで測定可能にするとなると応答信号の範囲は１０８位まで広がってしまう。
【０００４】
しかしながら、散乱光を電気信号に変換して処理する上で、光電変換素子や増幅器のダイナミックレンジが足りないため、通常のフォトダイオードや増幅器において雑音より大きい信号が得られ直線性が保たれる範囲は、およそ１０４程度である。従って、最小可測粒径を０．０５μｍとした場合、１μｍまで測定可能にすることは困難である。
【０００５】
そこで、通常の粒子を検出する電流電圧変換回路に、更にこれより電流変換率の大きい電流電圧変換回路を加えて、微小な粒子の検出には、この電流変換率の大きい電流電圧変換回路により検出信号を発生させ、この電流電圧変換回路と通常の大きさの粒子を検出する電流電圧変換回路との間に受光素子を設けて２つの電流電圧変換回路を同時に駆動することでダイナミックレンジを大きくする微粒子検出回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−９２０７５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平７−９２０７５号公報に開示された手段では、受光素子の出力信号を単に２つの異なる電流変換率を有する電流電圧変換回路により電流電圧変換するだけであって、受光素子のダイナミックレンジより電流電圧変換回路のダイナミックレンジが狭い場合には有効であるが、受光素子のダイナミックレンジが足りない場合の解決にはならないという問題があった。
【０００８】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広い粒径範囲の測定が可能な粒子検出器を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光などを光電変換素子で受光して粒子を検出する粒子検出器において、前記光電変換素子を複数設けると共に、これらの光電変換素子の感度を異なるようにした。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の粒子検出器において、前記複数の光電変換素子の出力信号を夫々増幅する増幅器の増幅度を異なるようにした。
【００１１】
請求項３に係る発明は、流体中に含まれる粒子に光を照射して生じる散乱光などを光電変換素子で受光して粒子を検出する粒子検出器において、前記光電変換素子を複数設けると共に、これらの光電変換素子に入射する光量を異なるようにした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る粒子検出器の実施例１の構成図、図２は同じく実施例２の構成図、図３は同じく実施例３の構成図である。
【００１３】
本発明に係る粒子検出器の実施例１は、図１に示すように、光源としてのレーザ発振器１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する２つの受光部３，４を備えている。
【００１４】
レーザ発振器１は、励起用レーザ光Ｌｅを放射する半導体レーザ１１と、励起用レーザ光Ｌｅを集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２で集光した励起用レーザ光Ｌｅを受けて励起し、レーザ光Ｌａを放射するレーザ媒質（固体レーザ）１３と、レーザ媒質１３と流路２を挟んで対向して設置され、レーザ媒質１３が放射するレーザ光Ｌａを反射する反射鏡１４からなる。
【００１５】
レーザ媒質１３としては、例えばＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＡＧなどが用いられる。レーザ媒質１３の集光レンズ１２側の端面には、半導体レーザ１１の励振波長（レーザ媒質１３のポンピング波長）を通す反射防止膜およびレーザ媒質１３の発振波長を反射する反射膜が形成されている。また、レーザ媒質１３の反射鏡１４側の端面には、レーザ媒質１３の発振波長に対する反射防止膜が形成されている。
【００１６】
流路２は、検出対象となる流体がアウトレット６の下流に接続した吸引ポンプ（不図示）により吸引され、流体がインレット７からアウトレット６に流れることによって形成される。そして、レーザ光Ｌａと流路２が交差する箇所が粒子検出領域８となる。
【００１７】
受光部３は、粒子検出領域８で生じる散乱光Ｌｓを集光する２つの集光レンズ１５，１６と、集光した散乱光Ｌｓを光電変換するフォトダイオード１７と、フォトダイオード１７の出力信号を増幅する増幅器１８などからなり、粒子検出領域８において粒子に照射されたレーザ光Ｌａによる散乱光Ｌｓを受光し、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を出力する。
【００１８】
また、受光部４も同様に、粒子検出領域８で生じる散乱光Ｌｓを集光する２つの集光レンズ２０，２１と、集光した散乱光Ｌｓを光電変換するフォトダイオード２２と、フォトダイオード２２の出力信号を増幅する増幅器２３などからなり、粒子検出領域８において粒子に照射されたレーザ光Ｌａによる散乱光Ｌｓを受光し、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を出力する。
【００１９】
ここで、受光部３のフォトダイオード１７の感度と受光部４のフォトダイオード２２の感度は、異ならせている。フォトダイオード１７は、測定対象となる粒径範囲（例えば、０．０５μｍ〜１０μｍ）のうち粒径の小さいもの（例えば、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度）を検出できるように感度が高く設定されている。一方、フォトダイオード２２は、測定対象となる粒径範囲のうち粒径の大きいもの（例えば、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度）を飽和せずに検出できるように感度が低く設定されている。
【００２０】
また、受光部３の増幅器１８の増幅度と受光部４の増幅器２３の増幅度についても、異ならせてもよい。フォトダイオード１７の出力信号を増幅する増幅器１８の増幅度は、粒径の小さいもの（例えば、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度）が検出できるように設定し、フォトダイオード２２の出力信号を増幅する増幅器２３の増幅度は、飽和せずに粒径の大きいもの（例えば、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度）が検出できるように設定することができる。
【００２１】
以上のように構成した本発明に係る粒子検出器の実施例１の動作について説明する。粒子検出領域８を通過する粒子にレーザ発振器１によりレーザ光Ｌａが照射されると、散乱光Ｌｓが生じる。すると、受光部３，４が散乱光Ｌｓを受光し、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を出力する。
【００２２】
受光部３は、フォトダイオード１７が粒径の小さいもの（例えば、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度）を検出できる感度に設定されているので、粒径が０．０５μｍより小さい場合には雑音レベルの信号を出力し、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度の場合には粒径に対応した信号を出力し、粒径が０．５μｍを超える場合には飽和してしまう。
【００２３】
一方、受光部４は、フォトダイオード２２が粒径の大きいもの（例えば、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度）を検出できる感度に設定されているので、粒径が０．５μｍより小さい場合には雑音レベルの信号を出力し、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度の場合には粒径に対応した信号を出力し、粒径が１０μｍを超える場合には飽和してしまう。
【００２４】
従って、粒径が０．０５μｍより小さい場合には、受光部３と受光部４は共に雑音レベルの信号を出力する。粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度の場合には、受光部３が粒径に対応した信号を出力し、受光部４が雑音レベルの信号を出力する。粒径が０．５μｍ付近の場合には、受光部３と受光部４は共に粒径に対応した信号を出力する。粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度の場合には、受光部３は飽和し、受光部４は粒径に対応した信号を出力する。粒径が１０μｍを超える場合には、受光部３と受光部４は共に飽和する。
【００２５】
そこで、受光部３，４に接続される信号処理部（不図示）において、受光部３，４の出力信号が、雑音レベルであるか、飽和しているか、或いは粒径に対応した信号であるかを判断し、粒径に対応した信号を採用して検出信号とすればよい。但し、粒径が５μｍ付近の場合には、受光部３と受光部４は共に粒径に対応した信号を出力するので、何れか一方を選択して検出信号とすればよい。
【００２６】
また、フォトダイオード１７の感度と受光部４のフォトダイオード２２の感度を異ならせると共に、受光部３の増幅器１８の増幅度と受光部４の増幅器２３の増幅度についても、フォトダイオード１７，２２の感度に対応させて要求する測定範囲（粒径範囲）を確保できるように異ならせれば、広い粒径範囲の測定を確実に行うことができる。
【００２７】
本発明に係る粒子検出器の実施例２は、図２に示すように、光源としてのレーザ発振器１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する２つの受光部３，４を備えている。そして、集光レンズ２０と集光レンズ２１の間に減衰フィルタ２５を設けた点を除けば、図１に示す実施例１と同様の構成である。
【００２８】
但し、フォトダイオード１７の感度とフォトダイオード２２の感度は、共に測定対象となる粒径範囲（例えば、０．０５μｍ〜１０μｍ）のうち粒径の小さいもの（例えば、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度）を検出できるように感度が高く設定されている。
【００２９】
なお、減衰フィルタ２５の減衰特性によっては、フォトダイオード１７の感度とフォトダイオード２２の感度を異ならせ、フォトダイオード２２の感度をフォトダイオード１７の感度よりも低めに設定することもできる。
【００３０】
以上のように構成した本発明に係る粒子検出器の実施例２の動作について説明する。粒子検出領域８で発生し、集光レンズ２０で平行光にされた散乱光Ｌｓは、減衰フィルタ２５により所定のレベルに減衰される。そして、減衰フィルタ２５により所定のレベルに減衰された散乱光Ｌｓは、集光レンズ２１によりフォトダイオード２２に集光される。
【００３１】
フォトダイオード２２は、減衰フィルタ２５がなければ集光レンズ２１により集光される散乱光Ｌｓによって飽和してしまうが、減衰フィルタ２５の減衰特性により粒径が大きい場合（例えば、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度）の強い散乱光Ｌｓに対しても飽和せずに、線形性を保って粒径に対応した信号を出力することができる。その他の動作については、図１に示す実施例１と同様なので説明を省略する。
【００３２】
本発明に係る粒子検出器の実施例３は、図３に示すように、光源としてのレーザ発振器１と、検出対象となる流体により形成される流路２と、散乱光Ｌｓを受光する２つの受光部３３，３４を備えている。なお、図１と同符号の構成要素については、実施例１と同様なので説明を省略する。
【００３３】
受光部３３は、粒子検出領域８で生じる散乱光Ｌｓを集光する２つの集光レンズ３５，３６と、集光レンズ３５と集光レンズ３６の間に設けたハーフミラー３７と、集光した散乱光Ｌｓを光電変換するフォトダイオード３８と、フォトダイオード３８の出力信号を増幅する増幅器３９などからなり、粒子検出領域８において粒子に照射されたレーザ光Ｌａによる散乱光Ｌｓを受光し、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を出力する。
【００３４】
また、受光部３４は、粒子検出領域８で生じる散乱光Ｌｓを集光する２つの集光レンズ３５，４０と、集光レンズ３５と集光レンズ４０の間に設けたハーフミラー３７及び減衰フィルタ４１と、集光した散乱光Ｌｓを光電変換するフォトダイオード４２と、フォトダイオード４２の出力信号を増幅する増幅器４３などからなり、粒子検出領域８において粒子に照射されたレーザ光Ｌａによる散乱光Ｌｓを受光し、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を出力する。なお、集光レンズ３５とハーフミラー３７は、受光部３３と受光部３４で共用している。
【００３５】
但し、フォトダイオード３８の感度とフォトダイオード４２の感度は、共に測定対象となる粒径範囲（例えば、０．０５μｍ〜１０μｍ）のうち粒径の小さいもの（例えば、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度）を検出できるように感度が高く設定されている。
【００３６】
なお、減衰フィルタ４１の減衰特性によっては、フォトダイオード３８の感度とフォトダイオード４２の感度を異ならせ、フォトダイオード４２の感度をフォトダイオード３８の感度よりも低めに設定することもできる。
【００３７】
更に、受光部３３の増幅器３９の増幅度と受光部３４の増幅器４３の増幅度についても、減衰フィルタ４１の減衰特性及び／又はフォトダイオード３８，４２の感度に対応させて要求する測定範囲（粒径範囲）を確保できるように異ならせることもできる。
【００３８】
以上のように構成した本発明に係る粒子検出器の実施例３の動作について説明する。粒子検出領域８で発生し、集光レンズ３５で平行光にされた散乱光Ｌｓは、ハーフミラー３７により分配されて集光レンズ３６と減衰フィルタ４１へ進む。
【００３９】
集光レンズ３６へ進んだ散乱光Ｌｓはフォトダイオード３８に集光されて光電変換され、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を増幅器３９より出力する。
一方、減衰フィルタ４１へ進んだ散乱光Ｌｓは所定のレベルに減衰された後に集光レンズ４０によりフォトダイオード４２に集光されて光電変換され、散乱光Ｌｓの強度に応じた電気信号を増幅器４３より出力する。
【００４０】
フォトダイオード４２は、減衰フィルタ４１がなければ集光レンズ４０により集光される散乱光Ｌｓによって飽和してしまうが、減衰フィルタ４１の減衰特性により粒径が大きい場合（例えば、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度）の強い散乱光Ｌｓに対しても飽和せずに、線形性を保って粒径に対応した信号を出力することができる。その他の動作については、図１に示す実施例１と同様なので説明を省略する。
【００４１】
また、ハーフミラー３７の分配率を異ならせることにより、フォトダイオード３８とフォトダイオード４２に集光される散乱光Ｌｓの光量を調整すれば、減衰フィルタ４１を設けずに同様な作用効果を得ることができる。
【００４２】
このように、２つの受光部３，４又は受光部３３，３４で、夫々１０４異なる感度を持たせ、一方の受光部３，３３には小粒径側（例えば、粒径が０．０５μｍ〜０．５μｍ程度）の検出を、他方の受光部４，３４には大粒径側（例えば、粒径が０．５μｍ〜１０μｍ程度）の検出を受け持たせることにより、１０８の光散乱量のダイナミックレンジ（例えば、粒径が０．０５μｍ〜１０μｍ程度）を持つ粒子検出器を構成することができる。
【００４３】
なお、２つの受光部の感度を異なるようにするための手段として、感度特性の異なるフォトダイオードを用いる場合と、片方のフォトダイオードに入射する散乱光Ｌｓを減衰させる場合について本実施例で示したが、その他に集光角を異ならせる方法やレンズの透過率を異ならせる方法など様々な方法がある。
また、本発明は光散乱式に限らず、光遮断式、光回折式の粒子検出器にも適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に係る発明によれば、光電変換素子を複数設けると共に、これらの光電変換素子の感度を異ならせることにより、測定対象となる粒径範囲について、夫々の光電変換素子の感度に合致した粒径範囲を夫々の光電変換素子に受け持たせ、広い粒径範囲の測定を行うことができる。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、光電変換素子の感度を異ならせると共に、これらの光電変換素子の出力信号を夫々増幅する増幅器の増幅度を異ならせることにより、広い粒径範囲の測定を確実に行うことができる。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、光電変換素子を複数設けると共に、これらの光電変換素子に入射する光量を異ならせることにより、測定対象となる粒径範囲について、夫々の光電変換素子に入射する光量に合致した粒径範囲を夫々の光電変換素子に受け持たせ、広い粒径範囲の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る粒子検出器の実施例１の構成図
【図２】本発明に係る粒子検出器の実施例２の構成図
【図３】本発明に係る粒子検出器の実施例３の構成図
【符号の説明】
１…レーザ発振器、２…流路、３，４，３３，３４…受光部、１７，２２，３８，４２…フォトダイオード、１８，２３，３９，４３…増幅器、２５，４１…減衰フィルタ、Ｌａ…レーザ光、Ｌｓ…散乱光。
【図１】
2005055204.tif 000003
【図２】
2005055204.tif 000004
【図３】
2005055204.tif 000005